基于ATmega128单片机的智能蒸柜控制系统设计

摘要：基于ATmega128单片机设计了智能蒸柜控制系统。由于蒸柜系统之前采用西门子PLC，目前这一系列已经停产，为了实现控制系统优化，采用以ATmega128单片机为控制核心单元，取代原来由PLC及触摸屏组成的控制系统，并在软件程序部分将原来的PID算法改进为模糊自整定PID算法。经过软硬件测试，控制系统与原系统相比更简单、准确、稳定、经济、智能，值得在实际应用中广泛推广。
关键词：智能蒸柜；ATmega128单片机；485／FC协议；模糊自整定PID算法

    智能蒸柜控制系统是一个蒸柜控制系统的改造与优化，之前采用的控制单元部件为西门子S5系列PLC和MP370触摸屏。S5系列模块已经停产，触摸屏操作也由于使用时间过长出现不灵敏现象，现使用的PLC模块与s5系列模块存在不兼容现象，并且PLC控制成本较高，故决定采用基于AVR单片机实现系统的节能优化。

1 系统简介
    本次设计采用Atmel公司的AVR系列ATmega128单片，由于此单片机吸收了PLC及51单片机的优点，同PLC一样可以重设和复位；特别是AT mega128单片机具有128 KB FLASH，4 KB E2PROM，4 KB RAM，多达48个I／O，口，34个中断源，以及ISP下载及JTAG仿真口。CS5464作为模拟量转换芯片，ADM2483作为485通信模块，并做了重大改进，程序的编写可串行在线下载擦写(ISP)，内置高精度的A／D转换器；基于C语言完成AVR固件程序和用户程序等软件设计，结果验证系统成本低、运行相对稳定，系统结构如图1所示。

2 蒸柜系统的工作原理及硬件实现
2．1 系统工作原理
    (1)首先设定系统输出量——温度与压力，再设定系统输入量，包括阀门开度上限、上限、阀门工作时间、抽气时间，系统时间等等；
    (2)按启动按钮，若已关门(光电开关有信号)，开始工作(工作指示灯亮、工作继电器闭合)，工作时间倒计时；
    (3)工作期间，采集蒸房内温度、压力值，并与设定值比较，通过模糊自整定PID算法串级控制，实现系统对阀门开度的调整，最终达到预期的自动控制与节能效果；
    (4)当压力、温度超标时，报警(指示灯亮、蜂鸣器响)，当压力恢复时，报警停止；
    (5)若工作期间检测到门打开，或按停止按钮，则停止工作并开始抽气，抽气完成结束。
2．2 硬件电路
    硬件电路总共分为模拟量采集电路、电源电路部分、CPU处理模块、键盘电路、液晶显示电路、通信电路、模拟量输出电路等几部分，本文主要对以下几个部分的硬件电路做重点设计。具体的I／O量见表1。

    模拟量采集电路有两路采集温度，一路采集压力，两种电路不同的原因是：由于压力传感器采用的是PT1000，要将产生的电流信号通过三极管电路转换成电压信号做处理，而压力变送器输出的就是标准的4～20 mA标准信号，CS5464是一个常用的功率芯片，此处A／D模块选用它的主要原因是成本较低，处理速度满足控制要求。
    电源是电子设备的核心部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，为了避免干扰，本设计电源电路采用相互隔离的两路+5 V输出：第一路输出给单片机MCU、储存芯片及LED数码管供电；第二路输出给RS 485通信芯片MAX485供电，电路如图2所示。

    主CPU板采用了Atmel公司的AVR单片机ATmega128，作为控制核心，主CPU板利用ATmega128的两个USART和电平转换芯片实现RS 232，RS 485通信、包含键盘处理、显示屏处理、模拟量处理、时钟口、JTAG口、继电器输出口等。
    16×16键盘驱动电路如图3所示，可实现如下功能：
    (1)线状态一：列输出，行输入，列输出0000，读行，如果行有口线为低电平，则有键盘按下。
    (2)线状态二：列输出，行输入，列依次输出1110／1101，1011／0111，读行，如果行有口线为低电平，确定当时的列输出状态，可判定是哪一列键盘按下。
    (3)线状态三：列输入，行输出，行依次输出1110／1101／1011／0111，只读状态二确定的列线，如果行有口线为低电平，确定当时的行输出状态。可判定具体是哪一个按键按下。
    (4)本电路16个键的功能是：上翻up、下翻down、输入input、清除clear、确定enter、返回ese、数字键：0～9。8个ATmega128的I／O口引脚分别对应16个按键，ATmega128直接检测8个I／O口的变化，完成对时、报警限值设定、报警信息查询，每路按键加RC电路去抖。
    液晶屏选用LM240128CFW，该设计采用串口方式连接，LM240128CFW的引脚RS、R／W和E分别与ATmega128的PB0，PB3和PB1连接，同时ATme ga128对液晶屏进行初始化、设置和显示等操作。R27和CL组成复位电路给液晶屏提供复位信号，电路如图4所示。

    通信电路采用AD2483通信芯片实现ABB标准的485协议与HLP专用的FC协议，RS 485的通信接口是由MAX485芯片构成，通过USART与MCU实现通信。采用3只光耦器件对单片机电路和RS 485接口电路进行隔离，提高系统的抗干扰能力，电路如图5所示。

3 软件设计
    ATmega128单片机集成的指令功能非常丰富，内存等资源也都比较丰富，为了提高代码的可读性、可移植性、可维护性和编程效率，本系统使用C语言开发系统软件。采用的编程软件为ICC AVR6．25A，仿真环境为AVR Studio 4．10。

    系统上电后，首先初始化各底层硬件(包括LCD设备、串口参数等)。初始化完成后，执行分段增量式PID控温算法、温度控制程序及人机交互程序，其中系统软件流程图如图6所示，循环来等待中断输入，在此循环中，异常状况检测被定为具有最高优先级的任务，其次是外部设备的手动输入，最后是外部输入信号。

4 测试结果及分析
4．1 温度的校准与标定
    首先在端口TIN处连接温度传感器，温度计量得室内温度为27℃。初步上电在界面显示正常情况，硬件电路测得信号电压在计算范围内，显示界面仍然为0℃，单步执行A／D采集程序，用示波器量得信号JSCK，MI，MO，发现JSCK为高电平，给MI一个标准方波，MO并没有收到等同波形，显示没有规则的波形，差的最后的原因为A／D初始化程序，延时贴片光耦P781的动作时间，在将延时改为120 ms后，显示界面出现一个不准确的温度值，但此刻已经说明能检测到电路信号，关于PT1000的具体标定对应标定表格进行，标定方法较为复杂，其结果为与室温有±0．15％的误差，比厂家要求1％误差有绝对高的精度。
4．2 通信的测试及结果
    由于厂家变频器采购的是HLP的NV系列变频器，此系列变频器遵循Modbus通信协议和自己的标准FC协议，本设计主要采用FC通信规约，标准Modbus暂且不作考虑，部分调试命令如下：
   
    对于ModBus协议来说，按照地址分为4类：
    0x为开关量表示该区域地址空间可读可写；1x为开关量表示该区域地址空间只读；3x为模拟量表示该区域地址空间只读；4x为模拟量表示该区域地址空间可读可写。
    按照功能码来说，01～255都可以，这些功能码可以对应地操作地址空间中。
    测试结果分析：通过标准FC规约参与变频器485通信，实现对食品切刀、输送机、进气阀门的控制，实现频率设定、正反转启动、变频控制、七段速选择、电机额定参数的显示等。

5 结语
    基于ATmega128芯片设计的智能蒸房控制系统基本满足原系统所有功能，并加入了新的控制算法，控制精度更高、更准确、更节电，并在结构上更为简易，在硬件上通过主板、按键和显示屏组装成简单的可视化仪表，操作界面简单明了，并添加了报警界面以便更为简单地查找机器故障。